设计目标

设计说明

某些 MSP430™ 微控制器 (MCU) 包含可配置的集成信号链元件，例如运算放大器、DAC 和可编程增益级。这些元件组成了一个称为智能模拟组合 (SAC) 的外设。有关 SAC 的不同类型以及如何利用其可配置模拟信号链功能的信息，请访问 MSP430 MCU 智能模拟组合培训。开始设计之前，请下载高侧电流检测电路设计文件。

此单电源高侧低成本电流检测方案可以检测 25mA 和 300mA 之间的负载电流，并将其转换为 0.25V 至 3V 的输出电压。高侧感应使系统能够识别接地短路，并且不会对负载造成接地干扰。该电路在通用 (GP) 模式下使用 MSP430FR2311 SAC_L1 运算放大器，并将 OAx+ 和 OAx- 分别专门用于同相和反相输入。同样的方法也可用于 MSP430FR2355，该型号有四个 SAC_L3 外设，另外还内置 DAC 和 PGA 功能。集成式 SAC 运算放大器的输出可以直接通过片内 ADC 采样或通过片内比较器进行监测，以在 MCU 内部进行进一步处理。

设计步骤

1. 下面提供了电路的完整传递函数。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{in}}\times {\mathrm{R}}_1\times \frac{{\mathrm{R}}_5}{{\mathrm{R}}_4} \\ \mathrm{Given} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4 \mathrm{and} {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5 \end{gathered}$$
2. 计算最大分流电阻。将最大分流电压设置为 60mV。
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{60\mathrm{mV}}{300\mathrm{mA}}=200\mathrm{m}\mathrm{\Omega }$
3. 计算增益以设置最大输出摆幅范围。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{(\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}})\times {\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{3}\mathrm{V}-\text{0.25}\mathrm{V}}{(0.3\mathrm{A}-\text{0.025}\mathrm{A})\times \text{200}\mathrm{m}\mathrm{\Omega }}=50\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
4. 计算增益设置电阻器以设置步骤 3 中计算的增益。
   $$\begin{gathered} \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4=1.01\mathrm{k}\Omega (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \\ {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5={\mathrm{R}}_2\times \mathrm{Gain}=1.01\mathrm{k}\Omega \times 50\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=50.5\mathrm{k}\Omega (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
5. 计算放大器的共模电压以确保以线性模式运行。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{CC}}\times \frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}=3.3\mathrm{V}\times \frac{\text{50.5}\mathrm{k}}{\text{1.01}\mathrm{k}+\text{50.5}\mathrm{k}}=3.235\mathrm{V}$
6. 截止频率上限 (f_H) 取决于此电路的同相增益（噪声增益）和运算放大器的增益带宽 (GBW)。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}=\frac{\text{GBW }}{\text{Noise Gain}}=\frac{4\mathrm{MHz}}{51\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=78.43 \mathrm{kHz}$

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

目标应用

• 电池包：无绳电动工具
• 混合动力汽车/电动汽车电池管理系统 (BMS)
• 电机驱动器
• 照明
• 能源基础设施

参考资料

1. 德州仪器 (TI)，高侧电流检测电路，设计文件
2. 德州仪器 (TI)，MSP430FR2311 TINA-TI Spice 模型，文件下载
3. 德州仪器 (TI)，MSP430 MCU 智能模拟组合培训，培训视频

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器

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